Konzorcium, társ p.: Hogyan befolyásolja a határfelületi vízréteg szerkezete a fehérjék konformációját?
Title in English
Consortional assoc.: How interfacial water structure controls protein conformation
Keywords in Hungarian
Hofmeister-effektus, FTIR és CD spektroszkópia, molekulamodellezés, amiloid béta peptid, szerkezet nélküli fehérjék, Trp-cage minifehérje
Keywords in English
Hofmeister effect, FTIR and CD spectroscopy, molecular modeling, amyloid beta peptide, intrinsically unstructured proteins, Trp-cage miniprotein
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Bioinformatics (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Department of Medical Chemistry (University of Szeged)
Participants
Bartha, Ferenc Násztor, Zoltán
Starting date
2012-04-01
Closing date
2016-09-30
Funding (in million HUF)
8.365
FTE (full time equivalent)
4.64
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Az élő rendszerek makromolekuláit körülvevő víz alapvető hatását módosíthatjuk bizonyos sókat adva az oldathoz (specifikus só- vagy Hofmeister-effektus (HE)). A HE széleskörű kolloidkémiai, preparatív biokémiai és biotechnológiai alkalmazása ellenére az effektus magyarázata máig vita tárgya. Dér és munkatársai nemrégiben publikálták a hatás elméleti megalapozását, ami a molekula-víz határfelületi feszültség sófüggésén alapul. Megmutatták, hogy a határfelületen fellépő felületi feszültség és a fehérje szerkezeti stabilitása közötti összefüggés közvetlenül összekapcsolható a fehérje konformációs fluktuációival. Ennek az eredménynek metodológiai következménye, hogy a HE várhatóan befolyásolja azokat a reakciókat, amelyek olyan konformációs változásokhoz kapcsolhatók, ahol a makromolekuláknak vagy ezek aggregátumainak vízzel érintkező felülete megváltozik. Konzorciális pályázatunk célja, hogy a HE segítségével megvilágítsuk a határfelületi víz szerkezetének szerepét a fehérjék feltekeredésében és működésében. Ez a társpályázat azt tűzi ki célul, hogy olyan számítógépes szimulációkkal támassza alá a kísérleti eredményeket, amelyek elősegítik a vizsgált jelenség atomi szintű értelmezését. Az eredmények várhatóan hozzájárulnak majd a víz szerkezetének a fehérjék stabilitására, illetve dinamikájára gyakorolt hatásának megértéséhez.
A kutatás alapkérdése
Korábbi eredményeken alapuló munkahipotézisünk szerint, a határfelületi víz szerkezetének meghatározó szerepe van egy fehérje szerkezetére és konformációs dinamikájára nézve egyaránt. A Hofmeister-aktív sók megváltoztatják a határfelületi víz szerkezetét és így hatást gyakorolnak a fehérjére is. A kutatásunk ennek a jelenségnek jobb megértését célozza. A konzorciális pályázat keretében ezt a kérdéskört sokféle módszerrel vizsgáljuk, amik magukba foglalnak hatékony kísérleti technikákat, valamint ab initio és molekuladinamikai számításokat egyaránt. E társpályázat célja, hogy a kísérleti eredményeket olyan számítógépes szimulációkkal egészítse ki, amelyek segítségünkre lesznek a vizsgált jelenség megértésében. Az elméleti és számítógépes vizsgálatok két fő részből állnak. Az első a létező módszerek alkalmasságának vizsgálata a Hofmeister-effektus modellezésére és szükség esetén e módszerek továbbfejlesztése. Ugyancsak ide tartozik a határfelületi feszültség jellemzésére alkalmas módszer kidolgozása is. Ez a vizsgálat elsősorban az ab initio és molekulamechanikai számítások összehasonlítását jelenti, kis méretű modellrendszereken, amelyek víz molekulákat, ionokat és peptid fragmenseket tartalmaznak. A második részben a megfelelőnek talált módszereket alkalmazzuk a kísérleti eredmények értelmezésére. Két peptid vizsgálatát tervezzük ebben a szakaszban: az egyik a Trp-cage miniprotein (ami a megfelelő számítási protokoll kidolgozására is szolgál) a másik a β amiloid ami központi szerepet játszik az Alzheimer-kór kialakulásában.
A kutatás jelentősége
A Hofmeister-hatások kutatásának hosszú történetében ilyen kérdésfeltevésen alapuló, komplex, célzott vizsgálatokra még nem került sor. Pályázatunk sikeres végigvitele rávilágíthat arra, hogy a határfelületi vízréteg milyen fontos szerepet játszik a peptidek és a fehérjék stabilitásában, dinamikájában, feltekeredésében és működésében. A tanulmányozni kívánt biomolekulák (fehérjék és peptidek) szerkezeti osztályuk tipikus reprezentánsai (pl. Aβ: kompakt, IUPs: laza, TRP-cage and PYP: köztes). A határfelületi vízrétegnek a vizsgált molekulák konformációs dinamikájában betöltött szerepét vizsgálva ezért olyan általános érvényű eredményekre számítunk, amelyek hozzájárulnak a fehérje-feltekeredés, -stabilitás és -működés törvényszerűségeinek mélyebb megértéséhez. A kísérleti eredmények elméleti vizsgálatokat indukálnak és viszont. Bizonyos polipeptidek aggregációjának esetében (mint például a β amiloid aggregációja, ami kulcsszerepet játszik az Alzheimer-kór kialakulásában) eredményeink mélyebb betekintést nyújthatnak azokba a folyamatokba amelyek betegségek kialakulásához vezetnek. Alapkutatási jelentőségükön túl tehát az eredményeknek gyakorlati relevanciája is várható, amennyiben új stratégiával szolgálhatnak különböző konformációs betegségek terápiájához.
A kutatás összefoglalója laikusok számára
A vízmolekula a harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben, és a leggyakoribb a Földön. Az élőlények nagy része víz (minden szervezettségi szinten). Ha a víz “szerkezete” (H-kötéseinek a hálózata) valamilyen külső ok (pl. oldott sók jelenléte) miatt megváltozik, az hatással van a fehérjék szerkezetére és működésére. Összefoglaló néven – felfedezőjükről - Hofmeister-effektusoknak nevezik ezeket a hatásokat. Hofmeister 1888-ban sorba rendezte a – hatásért elsősorban felelős - anionokat aszerint, hogy milyen hatékonysággal csapják ki a globuláris fehérjéket: SO4-->F->CH3COO->Cl->Br->I->ClO4-, SCN- A Cl- ionnak a legkisebb a hatása. A sorban tőle balra elhelyezkedőket kozmotropoknak nevezik (hatásuk: fokozott aggregáció), jobbra pedig a kaotropok találhatók (csökkent aggregáció). Később ugyanezt a sort találták a fehérje-aktivitásra is: a kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzimaktivitást, a kaotropok pedig ellenkezőleg, de esetenként éppen fordítva van. Többek között az ilyen kivételek miatt sokáig nem volt egységes elmélete a Hofmeister-effektusoknak. Dér A. nemrégiben kidolgozott elmélete, - a víz-fehérje határfelületi feszültség sófüggése segítségével – kvalitatív magyarázatot ad a legkülönbözőbb Hofmeister-hatásokra. A pályázat keretében – az elmélet alkalmazásaként, kísérleti és elméleti eszközökkel - azt szándékozzuk tanulmányozni, hogy a kaotrop illetve kozmotrop sók miként befolyásolják a különböző rendezettségű fehérjék szerkezetét és működését. A várható eredmények –alapkutatási jelentőségükön túl- új stratégiával szolgálhatnak a konformációs betegségek (pl. Alzheimer-kór) terápiájához.
Summary
Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified assessors
The fundamental influence of the interfacial water on macromolecules of the biological systems can be modified by adding special salts to the solution (Hofmeister effects (HE)). Despite the wide-spread use of HE in colloid chemistry, preparative biochemistry and biotechnology, interpretation of the effects had remained a matter of debate. Recently, Dér et al. have published a theoretical grounding of the effects based on the salt dependence of solute-water interfacial tension. It was shown that the relation between interfacial tension and protein structural stability is directly linked to protein conformational fluctuations. A methodological implication of the results is that HE are expected to change the reactions accompanying major conformational changes that involve water-exposed surface area changes of macromolecules and supramolecular assemblies. The aim of our consortial project is to utilize HE as research tool to reveal the role of interfacial water structure in protein folding and function. This subproject aims at supporting the experimental results with computer simulations, which help to find atomic level interpretations of the investigated phenomena. The results are expected to have important implications on the effect of water structure on protein stability and dynamics.
The main research question
According to our working hypothesis, based on earlier investigations, interfacial water structure has a determining role in defining protein structure and conformational dynamics. The Hofmeister-active salts induce changes in the interfacial water structure and this way influence the protein structure as well. We aim at the better understanding of this phenomenon. In the framework of our consortial project, we are going to address this point by a complex methodological approach involving powerful experimental techniques, as well as ab initio and molecular dynamics calculations. This subproject aims at supporting the experimental results with computer simulations, which help to find atomic level interpretations of the investigated phenomena. The theoretical and computational investigations involve two major parts. The first part aims at the assessment and development of simulation methods applicable in this field. This involves the comparison of ab initio and molecular mechanical results on small model systems containing peptide fragments, ions and water molecules. The other part is the application of existing methods for the interpretation of experimental findings. Two peptides are involved in this study: Trp-cage miniprotein, which will serve as training system for setting up the proper computational protocol, and amyloid β, which plays a key role in Alzheimer’s disease.
Significance of our research
The proposed research approach is unique in the long history of the investigation of Hofmeister effects. A successful completion of our work plan would shed light on the general importance of the structure of interfacial water layer on the stability, dynamics, folding and function of peptides and proteins. The biologically relevant target molecules chosen are typical representatives of their type of conformation (i.e. Aβ: compact, IUPs: loose, TRP-cage and PYP: intermediate), and their investigations are expected to provide with essential data for a quantitative understanding of the conformational dynamics of these biomolecules. Experimental results will inspire theoretical studies, and vice versa. The investigation of the interaction mechanisms of proteins and interfacial water will contribute to the deeper understanding of protein folding and stability problem in general. Specifically, for the aggregation of certain polypeptides (like that of Aβ, which plays a keyrole in the initiation of Alzheimer’s disease), our examinations are expected to provide deeper insight into the mechanism of the initiation of human neurodegenerative diseases. On the whole, in addition to their significance in basic biophysical science, the expected results are supposed to have impacts on finding new strategies for the treatment of conformational diseases, as well.
